一种机电耦合的电容式加速度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种机电耦合的电容式加速度传感器，该传感器整体呈现上下对称结构，包括上盖板、敏感单元和下盖板；所述上盖板与敏感单元之间、敏感单元与下盖板形成多层结构；敏感单元由敏感单元框架、敏感质量块和悬臂梁组成；敏感质量块的一端与悬臂梁相连，组成敏感单元的可动部分；敏感单元框架和盖板的介电屏蔽层连接；上盖板内的电容上极板和敏感质量块的上表面之间形成上电容间隙；下盖板内的电容下极板和敏感质量块的下表面之间形成下电容间隙。本发明专利技术解决现有电容式加速度传感器的在辐照环境下的电压漂移问题，为一种高可靠性、高精度、性能稳定的高精度加速度传感器。性能稳定的高精度加速度传感器。性能稳定的高精度加速度传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种机电耦合的电容式加速度传感器


[0001]本专利技术涉及微机械传感器
，涉及一种机电耦合的电容式加速度传感器。

技术介绍

[0002]电容式微机械加速度传感器是一种以半导体硅为主要材料，基于电学测量技术，利用MEMS制造工艺加工的加速度传感器，是目前研究最广泛的微纳加速度传感器之一。
[0003]实际测量中，需要建立加速度与敏感质量块相对位移、敏感电容、输出电压之间的关系，进而检测加速度信号。而由于采用全硅结构，边框氧化层的存在经常会导致较大的寄生电容，寄生电容也参与了电容检测。CN112285383公开了一种微机械加速度传感器，其上下盖板包括绝缘氧化层，该绝缘氧化层在在空间带电粒子和射线的照射下存在充电效应，可能产生寄生电荷，具体包括氧化层中的陷阱电荷与Si
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SiO2界面处的界面态电荷。寄生电荷的存在影响力电传输模型，导致加速度传感器物理模型变化，带来加速度传感器的输出漂移，使得加速度传感器测量可靠性较差，机电耦合效率较低。为了保证电容式加速度传感器性能稳定性与可靠性，通常的做法包括优化接口电路、对氧化层进行掺杂和H2氛围退火等。这些做法虽然能够在一定程度上减少寄生电容的影响，但由于无法定量分析寄生电容大小从而无法从根本上消除寄生电容的影响。故当前急需提出一种电容式微机械加速度传感器，解决目前加速度传感器中辐照条件下的寄生电容问题，实现MEMS加速度计优良的机电耦合特性。

技术实现思路

[0004]基于现有技术中存在的缺陷和不足，本专利技术提供一种基于SOI(silicon on insulator，绝缘体上单晶硅薄膜)的机电耦合电容式加速度传感器，解决了现有电容式加速度传感器由于边框氧化层寄生电容问题导致应用在空间环境时输出漂移的问题，是一种性能稳定、高可靠性的高精度加速度传感器。具体采用如下技术方案：
[0005]一种机电耦合的电容式加速度传感器，该传感器整体呈现上下对称结构，包括上盖板、敏感单元和下盖板；其中，所述上盖板由电容上极板、上盖板氧化层和上盖板介电屏蔽层三部分组成，下盖板由电容下极板、下盖板氧化层和下盖板介电屏蔽层三部分组成，所述上盖板与敏感单元之间、敏感单元与下盖板之间分别通过键合连接在一起，形成多层结构；敏感单元由敏感单元框架、敏感质量块和悬臂梁组成；敏感质量块的一端与悬臂梁相连，组成敏感单元的可动部分；敏感单元框架和盖板的介电屏蔽层连接，实现敏感单元与上盖板、下盖板的连接；上盖板内的电容上极板和敏感质量块的上表面分别作为上电容的上极板、上电容的下极板，上盖板内的电容上极板和敏感质量块的上表面之间形成上电容间隙；敏感质量块的下表面和下盖板内的电容下极板分别作为下电容的上极板、下电容的下极板，下盖板内的电容下极板和敏感质量块的下表面之间形成下电容间隙。
[0006]进一步，所述上盖板为SOI结构加工而成，上盖板介电屏蔽层为SOI结构中的单晶硅结构层；所述下盖板为SOI结构加工而成，下盖板介电屏蔽层为SOI结构中的单晶硅结构
层。
[0007]进一步，所述上盖板氧化层、下盖板氧化层的厚度均为500nm左右。
[0008]进一步，所述敏感质量块、悬臂梁和敏感单元框架均采用单晶硅材料通过微纳工艺制备而成。
[0009]进一步，所述敏感单元框架部分的边框部分采用单晶硅材料制备而成，其设有台阶部分。
[0010]本专利技术通过在三明治结构电容式加速度传感器基础上，利用SOI设计机电耦合结构，引入介电屏蔽层，将介电屏蔽层接地以消除氧化层上的寄生电荷使其不参与后续的电容检测，使得机电耦合更加准确可控。该方法在保证全硅电容式MEMS加速度传感器优点的同时，避免了氧化层的寄生电荷影响，能够使加速度传感器具有较高的线性度和检测精度。
附图说明
[0011]图1是本专利技术机电耦合式电容式加速度传感器三维结构示意图；
[0012]图2是本专利技术机电耦合式电容式加速度传感器剖面侧视图；
[0013]图3是本专利技术机电耦合式电容式加速度传感器敏感单元部分俯视图；
[0014]图4是本专利技术机电耦合式电容式加速度传感器上盖板顶视图/下盖板俯视图；
[0015]图5是本专利技术机电耦合式电容式加速度传感器下盖板局部剖视图；
[0016]图中：1.上盖板 2.敏感单元 3.下盖板 4.电容上极板 5.电容下极板 6.上盖板氧化层 7.下盖板氧化层 8.上盖板介电屏蔽层 9.下盖板介电屏蔽层 10.上键合层 11.下键合层 12.上电容间隙 13.下电容间隙 14.敏感单元框架 15.敏感质量块 16.悬臂梁 17.边框部分 18.台阶部分。
具体实施方式
[0017]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。
[0018]一种机电耦合的电容式加速度传感器，如图1所示，该传感器整体呈现上下对称结构，包括上盖板1、敏感单元2和下盖板3；其中，所述上盖板1由电容上极板4、上盖板氧化层6和上盖板介电屏蔽层8三部分组成，下盖板3由电容下极板5、下盖板氧化层7和下盖板介电屏蔽层9三部分组成，所述上盖板1与敏感单元2之间、敏感单元2与下盖板3之间分别通过键合连接在一起，形成多层结构，具体地，上盖板1和敏感单元2通过上键合层10连接，敏感单元2和下盖板3通过下键合层11连接；敏感单元2由敏感单元框架14、敏感质量块15和悬臂梁16组成，材料均为单晶硅；敏感质量块15的一端与悬臂梁16相连，组成敏感单元2的可动部分；敏感单元框架14和盖板的介电屏蔽层8，9连接，实现敏感单元2与上盖板1、下盖板3的连接；上盖板1内的电容上极板4和敏感质量块15的上表面分别作为上电容的上极板、上电容的下极板，上盖板1内的电容上极板4和敏感质量块15的上表面之间形成上电容间隙12；敏感质量块15的下表面和下盖板3内的电容下极板5分别作为下电容的上极板、下电容的下极板，下盖板3内的电容下极板5和敏感质量块15的下表面之间形成下电容间隙13。
[0019]当外界加速度输入时，敏感质量块15在垂直于质量块表面的方向产生惯性力，使质量块在敏感方向上产生与加速度方向相反的位移，导致上电容间隙12和下电容间隙13的间距发生变化，引起电容的变化，从而实现加速度的检测。
[0020]本专利通过设计介电屏蔽层，可以有效消除现有电容式加速度传感器中的绝缘氧化层可能产生的寄生电荷，以屏蔽绝缘层的充电效应。该介电屏蔽层采用可导电的单晶硅作为材料，是附在氧化层表面的一层新的结构。
[0021]进一步，所述上盖板1为SOI结构加工而成，上盖板介电屏蔽层8为SOI结构中的单晶硅结构层；所述下盖板3为SOI结构加工而成，下盖板介电屏蔽层9为SOI结构中的单晶硅结构层。
[0022]进一步，所述上盖板氧化层6、下盖板氧化层7的厚度均为500nm左右。
[0023]进一步，如图3所示，所述敏感质量块14、悬臂梁15和敏感单元框架16均采用单晶硅材料制备而成，其特征结构由微纳工艺制备而得。
[0024]进一步，图4是本专利技术机电耦合式电容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机电耦合的电容式加速度传感器，其特征在于，该传感器整体呈现上下对称结构，包括上盖板(1)、敏感单元(2)和下盖板(3)；其中，所述上盖板(1)由电容上极板(4)、上盖板氧化层(6)和上盖板介电屏蔽层(8)三部分组成，下盖板(3)由电容下极板(5)、下盖板氧化层(7)和下盖板介电屏蔽层(9)三部分组成，所述上盖板(1)与敏感单元(2)之间、敏感单元(2)与下盖板(3)之间分别通过键合连接在一起，形成多层结构；敏感单元(2)由敏感单元框架(14)、敏感质量块(15)和悬臂梁(16)组成；敏感质量块(15)的一端与悬臂梁(16)相连，组成敏感单元(2)的可动部分；敏感单元框架(14)和盖板的介电屏蔽层连接，实现敏感单元(2)与上盖板(1)、下盖板(3)的连接；上盖板(1)内的电容上极板(4)和敏感质量块(15)的上表面分别作为上电容的上极板、上电容的下极板，上盖板(1)内的电容上极板(4)和敏感质量块(15)的上表面之间形成上电容间隙(12)；敏感质量块(15)的下表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑瑜，唐彬，刘猛，黄健树，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：